1、传感器技术传感器技术主讲：吴秋宁主讲：吴秋宁第三节第三节 电容式传感器电容式传感器优点优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。动态响应时间短、易实现非接触测量等。由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。应用应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度：压力、位移、
2、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。和成分含量等测量之中。电容器是电子技术的三大类无源元件电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电电阻、电感和电容容)之一，利用电容器的原理，将非电量转换成电容量之一，利用电容器的原理，将非电量转换成电容量,进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容式传感器，它实质上是一个具有可变参数的电容器。式传感器，它实质上是一个具有可变参数的电容器。A介电常数电容式传感器结构图原理：被测非电量转换为电容量的变化原理：被测非电量转换为电容量的变化 种类：变极距种类：变极距、变面积、变面积A、变介质
3、、变介质 AC、A或或发生变化时，都会引起电容的变化。发生变化时，都会引起电容的变化。一、一、工作原理与类型工作原理与类型（一）工作原理（一）工作原理（二）（二）类型类型三种基本类型三种基本类型：l变极距变极距(变间隙变间隙)()型型l变面积型变面积型(A)型型l变介电常数变介电常数()型型表表5-1列出了电容式传感器的三种基本结构形式。列出了电容式传感器的三种基本结构形式。l位移位移：线位移和角位移两种。：线位移和角位移两种。l极板形状极板形状：平板或圆板形和圆柱：平板或圆板形和圆柱(圆筒圆筒)形，虽还有球形，虽还有球面形和锯齿形等其他的形状，但一般很少用，故表中面形和锯齿形等其他的形状，但
4、一般很少用，故表中未列出。未列出。其中差动其中差动式一般优于单组（单边）式的传感器。它灵式一般优于单组（单边）式的传感器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。敏度高、线性范围宽、稳定性高。输入输出关系：输入输出关系：/0C/C0 具有严重非线性。具有严重非线性。2300000000230000000111,CSCCCCCC 灵敏度：灵敏度：0200SCCAK1 1、变极距型电容传感器、变极距型电容传感器 C01 1、变极距型电容传感器、变极距型电容传感器 1 1、变极距型电容传感器、变极距型电容传感器 2 2、变面积型电容传感器、变面积型电容传感器 变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特变
5、面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构，其向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构，其中线位移单组式的电容量中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为在忽略边缘效应时为l外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；r2、r1 圆筒内半径和内圆柱外半径。圆筒内半径和内圆柱外半径。当两圆筒相对移动当两圆筒相对移动l时，电容变化量时，电容变化量C为为)/ln(212rrlC这类传感器具有良好的线性这类传感器具有良好的线性,大多用来检测位移等参数。
6、大多用来检测位移等参数。llCrrlrrllrrlC0121212)/ln(2)/ln()(2)/ln(23 3、变介电常数型电容传感器、变介电常数型电容传感器 变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的厚度厚度、液位液位，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的度改变而改变来测量介质材料的温度温度、湿度湿度等。等。n若忽略边缘效应，单组式平板形厚度传感器如下图，若忽略边缘效应，单组式平板形厚度传感器如下图，传感器的电容量与被厚度的关系为传感器的电容量与被厚度的关系为 x厚度传感器厚度传
7、感器/)(0 xxabC a、b、lx:固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度；:两固定极板间的距离；两固定极板间的距离；x、0 0:被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数 。n若忽略边缘效应，单组式平板形线位移传感器如下若忽略边缘效应，单组式平板形线位移传感器如下图，传感器的电容量与被位移的关系为图，传感器的电容量与被位移的关系为 00/)(/)(xxxxlabblC a、b、lx:固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度；:两固定极板间的距离；两固
8、定极板间的距离；x、0 0:被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数 。l平板形平板形lxn若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如下图，传感若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如下图，传感器的电容量与被液位的关系为器的电容量与被液位的关系为 液位传感器液位传感器hC1CC2xxKhArrhrrhC)/ln()(2)/ln(2120120可见，传感器电容量可见，传感器电容量C C与被测液位高度与被测液位高度h hx x成线性关系。成线性关系。2r12r2hx)/ln(2120rrhA)/ln()(2120rrK例例 某电容式液位传感器由直径为某电容式液位传感器
9、由直径为40mm和和8mm的两个同的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高，高为为1.2m。被储存液体的。被储存液体的r 2.1。计算传感器的最小电。计算传感器的最小电容和最大电容以及当用在储存灌内传感器的灵敏度容和最大电容以及当用在储存灌内传感器的灵敏度(pF/L)解：解：pFmmpFrrHC46.415ln2.1)/85.8(2ln2120minpFpFrrHCr07.872.146.41ln2120maxLmmHdV6.2352.14)5.0(422LpFLpFpFVCCK/19.06.23546.4107.87minmax二、二、
10、电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感：包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感：r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；C0为传感器本身的电容；为传感器本身的电容；Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容；寄生电容；Rg是极间等效漏电阻，它包括极板间的漏电损耗和介质是极间等效漏电阻，它包括极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗介质损耗，其值在制造损耗、极板与外界间的漏电损耗介质损耗，其值在制造工艺上和材料选取上应保证足够大。工艺上和
11、材料选取上应保证足够大。C0CpRgLrCeReLreCe供电电源频率为谐振频率的供电电源频率为谐振频率的1/31/2二、电容式传感器特点二、电容式传感器特点 1.优点：优点：.温度稳定性好：电容式传感器的电容值一般与电电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。因本身发热极小，影响稳定性甚微。而电阻传感而电阻传感器有铜损等，易发热产生零漂。器有铜损等，易发热产生零漂。.结构简单：电容式传感器结构简单，易于制造，电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现易于保证高
12、的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在高温，强辐射及强磁某些特殊的测量；能工作在高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温和承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。低压差，也能对带磁工作进行测量。.动态响应好：动态响应好：电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小（约几个（约几个10105 5N N），需要的作用能量极小，又由于它的可动部），需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻
13、，因此其固有频率很高，分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆动态响应时间短，能在几兆HzHz的频率下工作，特别适用于动的频率下工作，特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数。统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数。.可以非接触测量，具有平均效应：可以非接触测量，具有平均效应：例如例如 非接触测量回转轴非接触测量回转轴的振动或偏心率、小型滚珠轴承的径向间隙等。当采用非接的振动或偏心率、小型滚珠轴承的径向间隙等。当采用非接触测量时，电容式传感器
14、具有平均效应，可以减小工件表面触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。电容式传感器除了上述的优点外，粗糙度等对测量的影响。电容式传感器除了上述的优点外，还因其带电极板间的静电引力很小，所需输入力和输入能量还因其带电极板间的静电引力很小，所需输入力和输入能量极小，因而可测极低的压力、力和很小的加速度、位移等，极小，因而可测极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力高，能敏感可以做得很灵敏，分辨力高，能敏感0.01m 0.01m 甚至更小的位甚至更小的位移；由于其空气等介质损耗小，采用差动结构并接成电桥式移；由于其空气等介质损耗小，采用差动结构并
15、接成电桥式时产生的零残极小，因此允许电路进行高倍率放大，使仪器时产生的零残极小，因此允许电路进行高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度。具有很高的灵敏度。二、电容式传感器特点二、电容式传感器特点 2.缺点缺点（1）输出阻抗高，负载能力差）输出阻抗高，负载能力差电容式传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制，一般微几十导几百皮法，其值只有几个皮法，使 传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达108106。因此传感器的负载能力很差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来极大的不便。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几十
16、兆欧以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响仪器的性能（如灵敏度降低），为此还要特别注意周围的环境如湿度、清洁度等。二、电容式传感器特点二、电容式传感器特点（2）寄生电容影响大。）寄生电容影响大。电容式传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，降低了传感器的灵敏度，影响测量精度，因此对电缆的选择、安装、接法都要有要求。（3）输出特性非线性。）输出特性非线性。变极距型电容传感器的输出是非线性的。其它类型传感器也只有忽略电场的边缘效应时，输出才是线性的。二、电容式传感器特点二、电容式传感器特点三、电容式传感器测量电路
17、三、电容式传感器测量电路 1.交流电桥电路交流电桥电路 交流电桥电路如图所示，高频电源经变压器接到电桥的一条对角交流电桥电路如图所示，高频电源经变压器接到电桥的一条对角线上，电容线上，电容C1、C2、C3、Cx构成电桥的构成电桥的4个臂，个臂，Cx为电容传感为电容传感器，交流电桥平衡时则器，交流电桥平衡时则U0=0。当。当Cx改变时，改变时，U00，有电压输出。，有电压输出。此种电桥电路要求交流电源的幅度和频率都十分稳定；电桥放大此种电桥电路要求交流电源的幅度和频率都十分稳定；电桥放大器的输入阻抗要高；测量系统的动态响应受电桥供电电源的频率器的输入阻抗要高；测量系统的动态响应受电桥供电电源的频
18、率限制，一般要求电源频率为被测信号最高频率的限制，一般要求电源频率为被测信号最高频率的510倍。倍。UUoC1C2C3Cx交流电桥电路交流电桥电路 2.2.变压器电桥变压器电桥 如图所示，如图所示，C1C1、C2C2为传感器的两为传感器的两个差动电容。电桥的空载输出电个差动电容。电桥的空载输出电压为压为对变极距型电容传感器，代入上式得对变极距型电容传感器，代入上式得21212CCCCUUoUiUoC1C2U/2U/2变压器电桥变压器电桥 )/();/(002001ACAC02UUo三、电容式传感器测量电路三、电容式传感器测量电路 三、电容式传感器测量电路三、电容式传感器测量电路 3.调频电路调
19、频电路 电容式传感器的调频电容式传感器的调频电路原理如图所示。电路原理如图所示。该电路将电容式传感该电路将电容式传感器接入高频振荡器的器接入高频振荡器的LCLC回路中，当被测量回路中，当被测量变化时，电容也随之变化时，电容也随之变化，产生一个变化变化，产生一个变化量量CC，使得振荡频，使得振荡频率也相应变化。调频率也相应变化。调频振荡器的振荡频率为振荡器的振荡频率为LC0+CCiC1C2C3C4C5C6VT1VT2R1R2R3R4R5R646HUOUT+VCC011122()ifLCL CCCC三、电容式位移传感器测量电路三、电容式位移传感器测量电路4.脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路 当接通
20、电源后，若触发器当接通电源后，若触发器Q Q端为高电平端为高电平(U(U1 1)，端为低电平端为低电平(0)(0)，则，则触发器通过触发器通过R R1 1对对C C1 1充电；当充电；当F F点电位点电位U UF F升到与参考电压升到与参考电压U Ur r相等时，比相等时，比较器较器ICIC1 1产生一脉冲使触发器翻转，从而使产生一脉冲使触发器翻转，从而使Q Q端为低电平，端为高电端为低电平，端为高电平平(U(U1 1)。此时，由电容。此时，由电容C C1 1通过二极管通过二极管D D1 1迅速放电至零，而触发器由迅速放电至零，而触发器由端经端经R R2 2向向C C2 2充电；当充电；当G
21、G点电位点电位U UG G与参考电压与参考电压U Ur r相等时，比较器相等时，比较器ICIC2 2输出输出一脉冲使触发器翻转，从而循环上述过程。一脉冲使触发器翻转，从而循环上述过程。脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路 双稳态触发器+-A1A2VD1VD2R1R2Cx1Cx2UrQQABFGU0_Q三、电容式位移传感器测量电路三、电容式位移传感器测量电路 可以看出，电路充放电的时间，即触发器输出方波可以看出，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容脉冲的宽度受电容C1C1、C2C2调制。调制。当当C1=C2C1=C2时，各点的电压波形如图时，各点的电压波形如图(a)(a)所示，所示，Q
22、 Q和和 两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零。两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零。当当C1C1C2C2时，各点的电压波形如图时，各点的电压波形如图(b)(b)所示，所示，Q Q、两、两端间的平均电压端间的平均电压(经一低通滤波器经一低通滤波器)为为12121121210UCCCCUTTTTU式中：式中：T1T1和和T2T2分别为分别为Q Q端和端和 端输出方波脉冲的宽端输出方波脉冲的宽度，亦即度，亦即C1C1和和C2C2的充电时间。的充电时间。_Q各点电压波形图三、电容式传感器测量电路三、电容式传感器测量电路当该电路用于差动式变极距型电容传感器时，有 这种电路只采用直流电源
23、，无需振荡器，要求直流电源地电压稳定度较高，但比高稳定度地稳频稳幅交流电源易于做到。用于差动式变面积型电容传感器时有 三、电容式传感器测量电路三、电容式传感器测量电路210121SSUUSS210121ddUUdd三、电容式传感器测量电路三、电容式传感器测量电路5 5运算放大器电路运算放大器电路这种电路不需要载频和附加解调线路，无波这种电路不需要载频和附加解调线路，无波形和相移失真；输出信号只需要通过低通滤波器形和相移失真；输出信号只需要通过低通滤波器引出；直流信号的极性取决于引出；直流信号的极性取决于C C1 1和和C C2 2；对变极距；对变极距和变面积的电容传感器均可获得线性输出。这种和
24、变面积的电容传感器均可获得线性输出。这种脉宽调制线路也便于与传感器做在一起，从而使脉宽调制线路也便于与传感器做在一起，从而使传输误差和干扰大大减小。传输误差和干扰大大减小。图为其电原理图。图为其电原理图。C1C1为传感器电容，它跨接为传感器电容，它跨接在高增益运算放大器的输入端和输出端之间。放在高增益运算放大器的输入端和输出端之间。放大器的输入阻抗很高大器的输入阻抗很高(Zi)(Zi)，因此可视作理想，因此可视作理想运算放大器。其输出端输出一与运算放大器。其输出端输出一与C1C1成反比的电压成反比的电压U U0 0，即，即10CCUUio运算放大器电路运算放大器电路 三、三、电容式位移传感器测
25、量电路电容式位移传感器测量电路式中，式中，UiUi为信号源电压，为信号源电压，C0C0为固定电容，要求它们为固定电容，要求它们都很稳定。都很稳定。对变极距型电容传感器对变极距型电容传感器(C1(C10 0r rA/)A/)，公式可写，公式可写为为ACUUrio00 可见配用运算放大器测量电路的最大特点是克服了变极距型电容传感器的非线性。三、电容式传感器测量电路三、电容式传感器测量电路n压力测量压力测量：差压传感器、变面积传感器、荷重传感器：差压传感器、变面积传感器、荷重传感器n水分检测：粮食、油水分检测：粮食、油n液位测量液位测量n加速度测量加速度测量四、电容式传感器的应用四、电容式传感器的应
26、用 四、电容式传感器的应用四、电容式传感器的应用 1 1、电容式位移传感器、电容式位移传感器测杆测杆固定电极固定电极活动电极活动电极开槽片簧开槽片簧2 2、电容式压力传感器、电容式压力传感器金属膜片金属膜片玻璃玻璃玻璃玻璃多孔金属滤波器多孔金属滤波器金属渡层金属渡层垫圈垫圈P P3 3、电容式加速度传感器、电容式加速度传感器固定电极固定电极固定电极固定电极质量块质量块m m质量块质量块m m 弹簧片弹簧片+C C-C C4 4、电容式液位传感器、电容式液位传感器绝缘绝缘内电极内电极外电极外电极不导电液体不导电液体导电液体导电液体绝缘绝缘内电极内电极外电极外电极5 5、电容式荷重传感器、电容式荷重传感器6 6、电容式测厚仪、电容式测厚仪C+C+C CC CU U电容耦合电容耦合直流电压输出直流电压输出
